DE202010004332U1 - Plasma source array for the treatment of free-form surfaces - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Plasma-Behandlung von beliebigen Oberflächen mittels dielektrisch behinderter Entladungen (DBE), umfassend DBE-Stiftelektroden, die nebeneinander in einer Ebene zu einem Array angeordnet sind und axial frei beweglich sind, so dass sich die Position der Stiftelektroden beim Aufsetzen auf die zu behandelnde Oberfläche an deren Oberflächenform anpasst.Device for the plasma treatment of any surface by means of dielectric barrier discharges (DBE), comprising DBE pin electrodes, which are arranged side by side in a plane to an array and are freely movable axially, so that the position of the pin electrodes when placed on the one to be treated Adapts surface to their surface shape.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasma-Behandlung von Freiformflächen und von Bereichen menschlicher oder tierischer Körperoberflächen, mittels dielektrisch behinderter Entladungen (DBE-Plasmaquellen). Kernstück der Vorrichtung ist die Anordnung von glas-, keramik- oder kunststoffisolierten Stiftelektroden in einem Array zur Erzeugung einer Vielzahl von dielektrisch behinderten Oberflächenentladungen im Falle eines Kontaktes mit der zu behandelnden Körperoberfläche. Die Stiftelektroden sind dabei axial beweglich angeordnet, so dass sich ihre Position beim Aufsetzen auf die zu behandelnde Körper-Oberfläche an deren gekrümmte Oberfläche (”Freiformfläche”) anpasst. Ein derartiges DBE-Plasmaquellen-Array gestattet die Behandlung beliebig gekrümmter Hautpartien durch, in diesem Bereich erzeugte, flächig wirkende Plasmen, die hinsichtlich der Belastung der Haut durch Temperatur und elektrische Spannungen keine unerwünschten Wirkungen zeigen.The invention relates to a device for the plasma treatment of free-form surfaces and areas of human or animal body surfaces by means of dielectrically impeded discharges (DBE plasma sources). The core of the device is the arrangement of glass, ceramic or plastic-insulated pin electrodes in an array for generating a plurality of dielectrically impeded surface discharges in the event of contact with the body surface to be treated. The pin electrodes are arranged axially movable, so that their position when placed on the body surface to be treated on the curved surface ("free-form surface") adapts. Such a DBE plasma source array makes it possible to treat arbitrarily curved skin areas by flat-acting plasmas produced in this area which show no adverse effects on the stress on the skin due to temperature and electrical voltages.

Stand der TechnikState of the art

Vielfältige neuere Untersuchungen zu Applikationsmöglichkeiten der Plasmatechnologie in Bereichen der Biologie und Medizin (Beispielsweise: [1] Fridman G. et al. ”Sterilization of Living Human and Animal Tissue by Non-Thermal Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge Plasma” ISPC 18. Kyoto 2007 ; [2] Fridman G. et al. ”Blond Coagulation and Living Tissue Sterilization by Floating-Electrode Dielectric Barrier Discharge in Air”, Plasma Chemistry and Plasma Processing 2006, 26, 425–442 ; [3] Fridman G. et al. ”Applied Plasma Medicine”, Plasma Process. Polym. 2008, 5, 503–533 ) führen zu der Einschätzung, dass das Potenzial der Plasmatechnologie für Applikationen dieser Art bedeutend ist. So werden beispielsweise im Rahmen des, sich gegenwärtig entwickelnden, neuen Fachgebietes ”Plasmamedizin” innovative therapeutische Methoden zur Behandlung von Hautkrankheiten und chronischen Wunden mit kalten Atmosphärendruckplasmen untersucht.Various recent studies on application possibilities of plasma technology in fields of biology and medicine (for example: [1] Fridman G. et al. "Sterilization of Living Human and Animal Tissue by Non-Thermal Atmospheric Pressure Dielectric Barrier Discharge Plasma" ISPC 18. Kyoto 2007 ; [2] Fridman G. et al. "Blonde Coagulation and Living Tissue Sterilization by Floating Electrode Dielectric Barrier Discharge in Air", Plasma Chemistry and Plasma Processing 2006, 26, 425-442 ; [3] Fridman G. et al. "Applied Plasma Medicine", Plasma Process. Polym. 2008, 5, 503-533 ) lead to the assessment that the potential of plasma technology for applications of this kind is significant. For example, as part of the emerging field of "plasma medicine", innovative therapeutic methods for the treatment of skin diseases and chronic wounds with cold atmospheric pressure plasmas are being investigated.

Voraussetzung dafür, derartige Methoden entwickeln, anwenden und systematisch untersuchen zu können, ist die Verfügbarkeit geeigneter Plasmaquellen, die einerseits schmerzfrei arbeiten, das zu behandelnde Gewebe nicht durch Temperaturbelastung, Austrocknung, die Wirkung elektrischer Felder oder durch die Wirkung der durch das Plasma erzeugten reaktiven Spezies schädigen und andererseits geeignet sind, eine definierte, reproduzierbare, flächige Behandlung beliebig gekrümmter Hautareale zu realisieren.The prerequisite for being able to develop, apply and systematically investigate such methods is the availability of suitable plasma sources, which on the one hand work painlessly, the tissue to be treated not by temperature stress, dehydration, the effect of electric fields or by the action of the reactive species generated by the plasma damage and on the other hand are suitable to realize a defined, reproducible, surface treatment arbitrarily curved skin areas.

Die in den Druckschriften DE3618412A1 , WO2004105810A1 und WO2006116252A2 beschriebenen Vorrichtungen zur Plasmabehandlung von lebendem Gewebe mit nichtthermischen Atmosphärenplasmen sind entweder mit starren Elektrodensystemen(-DBE-Elektroden) zur lokalen Behandlung kleiner Flächen oder mit ”Plasma-Düsen”(-Plasmajet) zur Erzeugung von Atmosphärendruckplasmen im Bereich der zu behandelnden Gewebeoberflächen ausgerüstet. Ihr Einsatz für die kurzzeitige, definierte und reproduzierbare Behandlung größerer Hautbereiche ist daher als problematisch zu betrachten.The in the pamphlets DE3618412A1 . WO2004105810A1 and WO2006116252A2 Devices for the plasma treatment of living tissue with non-thermal atmosphere plasmas described are equipped either with rigid electrode systems (DBE electrodes) for local treatment of small areas or with "plasma nozzles" (Plasmajet) for the production of atmospheric pressure plasmas in the area of the tissue surfaces to be treated. Their use for the short-term, defined and reproducible treatment of larger areas of the skin is therefore regarded as problematic.

Es gibt darüber hinaus auch Untersuchungen zum Einsatz von Plasmajet-Arrays für Anwendungen im Bereich der ”Plasmamedizin” ([4] CAO, Z.; WALSH, J. L.; KONG, M. G.: Atmospheric plasma jet array in parallel electric and gas flow fields for three-dimensional surface treatment. In: Applied Physics Letters 94 (2009), Nr. 2, S. 021501-3 ; [5] NIE, Q. Y.; CAO, Z.; REN, C. S.; WANG, D. Z.; KONG, M. G.: A two-dimensional cold atmospheric plasma jet array for uniform treatment of largearea surfaces for plasma medicine. In: New Journal of Physics 11 (2009), Nr. 11, S. 115015 ; [6] CAO, Z; NIE, Q; BAYLISS, DL; WALSH, J L; REN, C S; WANG, D Z; KONG, M G: Spatially extended atmospheric plasma arrays. In: PLASMA SOURCES SCIENCE AND TECHNOLOGY (2010), Nr. 2, S. 025003 ). Damit verbundene Risiken und Unwägbarkeiten, die teilweise in diesen Arbeiten untersucht und diskutiert werden, lassen den Einsatz dieser Art von Plasmaquellen für die kurzzeitige, definierte und reproduzierbare Behandlung größerer Hautbereiche ebenfalls problematisch erscheinen.There are also studies on the use of plasma jet arrays for applications in the field of "plasma medicine" ([4]). CAO, Z .; WALSH, JL; KONG, MG: Atmospheric plasma jet array in parallel electric and gas flow fields for three-dimensional surface treatment. In: Applied Physics Letters 94 (2009), No. 2, p. 021501-3 ; [5] NEVER, QY; CAO, Z .; REN, CS; WANG, DZ; KONG, MG: A two-dimensional cold atmospheric plasma jet array for uniform treatment of largearea surfaces for plasma medicine. In: New Journal of Physics 11 (2009), No. 11, p. 115015 ; [6] CAO, Z; NEVER, Q; BAYLISS, DL; WALSH, JL; REN, CS; WANG, DZ; KONG, MG: Spatially extended atmospheric plasma arrays. In: PLASMA SOURCES SCIENCE AND TECHNOLOGY (2010), No. 2, p. 025003 ). Associated risks and uncertainties, which are partly investigated and discussed in these papers, also make the use of this type of plasma source for the short-term, defined and reproducible treatment of larger areas of the skin problematic.

Als eine weitere Möglichkeit zur flächigen Behandlung von biologischem Gewebe mittels eines kalten Atmosphärendruckplasmas wurde in einer bisher unveröffentlichten Gebrauchsmusteranmeldung ( DE202009011521.6 ) der Erfinder (”Plasma-Manschette”) eine Vorrichtung, mit einer speziellen, elastischen Elektrodenanordnung, zur Erzeugung eines flächigen Plasmas mittels einer dielektrisch behinderten Oberflächenentladung beschrieben, die sich flexibel auf beliebig gekrümmte Oberflächen auflegen lässt und somit prinzipiell für die Plasmabehandlung erkrankter Hautareale geeignet ist. Nachteilig ist in diesem Falle die Tatsache, dass hier einerseits mit Betriebsparametern gearbeitet werden muss, die eine moderate Plasmawirkung gewährleisten, damit die für die Anordnung verwendeten Materialien (Elastomere) nicht plasmachemisch angegriffen werden, und andererseits eine erforderliche Sterilisation mittels Autoklaven bei Verwendung thermolabiler Elastomere als Materialien nicht möglich ist, so dass diese Anordnung für einmalige Anwendung als ”Einweg-Plasma-Manschette” genutzt werden müsste.As a further possibility for the surface treatment of biological tissue by means of a cold atmospheric pressure plasma was in a previously unpublished utility model application ( DE202009011521.6 ) the inventor ("plasma cuff") describes a device with a special elastic electrode assembly for generating a planar plasma by means of a dielectrically impeded surface discharge, which can be flexibly placed on arbitrarily curved surfaces and thus suitable in principle for the plasma treatment of diseased skin areas is. A disadvantage in this case is the fact that here one must work with operating parameters that ensure a moderate plasma effect so that the materials used for the arrangement (elastomers) are not attacked plasmachemisch, and on the other hand a required sterilization by autoclave using thermolabile elastomers as Materials is not possible, so that this arrangement would have to be used for single use as a "disposable plasma cuff".

Aufgabe der Erfindung Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Lösungen zu beseitigen.The invention has for its object to eliminate the disadvantages of the solutions described in the prior art.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wurde durch eine Vorrichtung zur Plasma-Behandlung von beliebigen Oberflächen (Freiformflächen) gemäß den Merkmalen der Schutzansprüche gelöst.The object has been achieved by a device for plasma treatment of arbitrary surfaces (free-form surfaces) according to the features of the claims.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße technische Lösung zur Erzeugung eines flächig wirkenden Plasmas für die kurzzeitige, definierte und reproduzierbare Behandlung größerer Hautbereiche, die Probleme und Nachteile bisheriger Lösungen überwindet.Surprisingly, it has been found that the technical solution according to the invention for producing a flat-acting plasma for the short-term, defined and reproducible treatment of larger areas of the skin, overcomes the problems and disadvantages of previous solutions.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasma-Behandlung von Freiformflächen, vor allem von Bereichen menschlicher oder tierischer Körperoberflächen, besteht aus einem Array von glas-, keramik- oder kunststoffisolierten DBE-Stiftelektroden (DBE: dielektrisch behinderter Entladung), die axial beweglich angeordnet sind, so dass sich ihre Position beim Aufsetzen auf die zu behandelnde Körper-Oberfläche an deren gekrümmte Oberfläche (-”Freiformfläche”) anpasst. Wird an die DBE-Stiftelektroden eine geeignete nieder- bzw. mittelfrequente Hochspannung angelegt, so wird im Bereich ihres Kontaktes mit der zu behandelnden Hautoberfläche jeweils eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt. Die Vorrichtung stellt somit ein spezielles DBE-Plasmaquellen-Array mit frei beweglichen Stiftelektroden dar.The inventive device for the plasma treatment of freeform surfaces, especially of areas of human or animal body surfaces, consists of an array of glass, ceramic or plastic insulated DBE pin electrodes (DBE: dielectrically impeded discharge), which are arranged axially movable, so that their position during placement on the body surface to be treated on their curved surface (- "free-form surface") adapts. If a suitable low or medium frequency high voltage is applied to the DBE pin electrodes, a dielectrically impeded discharge is generated in the region of their contact with the skin surface to be treated. The device thus represents a special DBE plasma source array with freely movable pin electrodes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind glas-, keramik- oder kunststoffisolierte DBE-Stiftelektroden axial frei beweglich in einer Lochplatte als Array angeordnet. Die Stiftelektroden besitzen dabei an beiden Enden jeweils eine Verdickung, die gewährleistet, dass sie im Falle einer Bewegung in den Bohrungen der Lochplatte bleiben. Als Dielektrikum der DBE-Stiftelektroden können neben den Materialien Glas und Keramik auch andere Isolationsmaterialien, wie beispielsweise Kunststoffe, verwendet werden. Die DBE-Stiftelektroden können entweder durch ihr Eigengewicht, geführt in der Lochplatte, auf die zu behandelnde Oberfläche aufgesetzt werden oder durch geeignete Federkontaktstifte einzeln an diese Oberfläche gedrückt werden.According to a preferred embodiment of the invention glass, ceramic or plastic insulated DBE pin electrodes are arranged axially freely movable in a perforated plate as an array. The pin electrodes each have a thickening at both ends, which ensures that they remain in the holes of the perforated plate in the event of movement. As a dielectric of the DBE pin electrodes, in addition to the materials glass and ceramic, other insulation materials, such as plastics, can be used. The DBE pin electrodes can either be placed on the surface to be treated by their own weight, guided in the perforated plate, or pressed onto this surface individually by means of suitable spring contact pins.

Wenn in der Lochplatte der isolierte Teil der DBE-Stiftelektroden geführt wird, ist diese aus Isoliermaterial zu fertigen. Die Führung der Stiftelektroden kann aber auch durch eine metallische Lochplatte im Bereich des isolationsfreien Teils der DBE-Stiftelektroden erfolgen. In diesem Fall kann die Lochplatte gleichzeitig der gemeinsamen elektrischen Kontaktierung der einzelnen Elektroden des Arrays dienen.If the isolated part of the DBE pin electrodes is guided in the perforated plate, it must be made of insulating material. However, the leadership of the pin electrodes can also be done by a metallic perforated plate in the region of the insulation-free part of the DBE pin electrodes. In this case, the perforated plate can simultaneously serve for the common electrical contacting of the individual electrodes of the array.

Die Array-Anordnung kann in geeigneter Weise mit einer Gaszufuhr gekoppelt werden, um durch die gezielte Anwendung bestimmter Prozessgase in dem Bereich der, die Hautoberfläche berührenden, DBE-Stiftelektroden den Behandlungseffekt beeinflussen zu können.The array arrangement can be suitably coupled to a gas supply in order to be able to influence the treatment effect by the targeted application of certain process gases in the area of the skin surface contacting DBE pin electrodes.

Für den Betrieb der Vorrichtung kann ein einfaches, kostengünstiges Stromversorgungsgerät mit geringen geometrischen Abmessungen verwendet werden, das optional in gepulster Betriebsart betrieben werden kann und somit die Möglichkeit bietet, die Intensität des Plasmas in weiten Grenzen regeln zu können.For the operation of the device, a simple, cost-effective power supply device with small geometric dimensions can be used, which can optionally be operated in pulsed mode and thus provides the ability to control the intensity of the plasma within wide limits can.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Behandlung von beliebigen Oberflächen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Plasmabetrieb prinzipiell in beliebiger Gasatmosphäre durchgeführt werden kann.The invention also provides a process for the treatment of arbitrary surfaces by means of the device according to the invention, wherein the plasma operation can in principle be carried out in any gas atmosphere.

Erläuterung der ZeichnungenExplanation of the drawings

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Figuren näher erläutert werden, ohne die Erfindung auf diese Beispiele zu beschränken Die 1, 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung.The invention will be explained in more detail below with reference to some figures, without limiting the invention to these examples 1 . 2 and 3 show the device according to the invention.

Für die nachfolgenden Zeichnungen werden folgende Bezugszeichen verwendet:The following symbols are used for the following drawings:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Elektrodenführung und -halterung (Isoliermaterial)Electrode guide and holder (insulating material)
22
Metallstiftemetal pins
33
Glasisolation als DielektrikumGlass insulation as a dielectric
44
einzeln frei bewegliche DBD-Elektrodenindividually freely movable DBD electrodes
55
zu behandelnde Oberflächesurface to be treated
66
HochspannungskabelHigh voltage cables
77
Druckfederncompression springs

1 zeigt ein einzeiliges Array: Die Anpassung der Elektrodenposition an eine Freiformfläche (5) ist zu erkennen. Das abgebildete Array besteht aus einer Elektrodenführung und -halterung (1) (Lochplatte aus Isoliermaterial), einzeln frei beweglichen DBE-Elektroden (4) und einem Hochspannungskabel (6). 1 shows a single-line array: the adaptation of the electrode position to a freeform surface ( 5 ) can be seen. The illustrated array consists of an electrode guide and holder ( 1 ) (Perforated plate made of insulating material), individually freely movable DBE electrodes ( 4 ) and a high voltage cable ( 6 ).

Im der Lochplatte (1) werden die frei beweglichen, glasisolierten DBE-Elektroden (4) geführt. Beim Aufsetzen der glasisolierten Elektroden (4) auf die zu behandelnde Körper-Oberfläche (5) passt sich die Position der Elektroden durch deren Eigengewicht an die Freiformfläche an.In the perforated plate ( 1 ), the freely moving, glass-insulated DBE electrodes ( 4 ) guided. When placing the glass-insulated electrodes ( 4 ) on the body surface to be treated ( 5 ) fits the position of the electrodes by their own weight to the free-form surface.

Die Körper-Oberfläche (5) wirkt als geerdete Gegenelektrode, so dass sich jeweils im Bereich der Berührung der DBE-Elektroden (4) mit der Körper-Oberfläche (5) ein Plasma ausbildet.The body surface ( 5 ) acts as a grounded counter electrode, so that in each case in the region of contact of the DBE electrodes ( 4 ) with the body surface ( 5 ) forms a plasma.

2 zeigt ein einzeiliges Array, bei dem die DBE-Elektroden durch Druckfedern einzeln an die Freiformfläche (5) gedrückt werden. 2 shows a single-row array in which the DBE electrodes by compression springs individually to the freeform surface ( 5 ).

3 zeigt eine Anordnung von 4 × 16 DBE-Elektroden in einem Array. 3 shows an array of 4 × 16 DBE electrodes in an array.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (8)

Vorrichtung zur Plasma-Behandlung von beliebigen Oberflächen mittels dielektrisch behinderter Entladungen (DBE), umfassend DBE-Stiftelektroden, die nebeneinander in einer Ebene zu einem Array angeordnet sind und axial frei beweglich sind, so dass sich die Position der Stiftelektroden beim Aufsetzen auf die zu behandelnde Oberfläche an deren Oberflächenform anpasst.DB = EPODOC & ... PN = EP0494354 DBE - type plasma treatment device for any surface comprising DBE pin electrodes juxtaposed in a plane to an array and axially free to move, so that the position of the pin electrodes when placed on the surface to be treated Adapts surface to its surface shape. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DBE-Stiftelektroden glas-, keramik- oder kunststoffisoliert sind und diese Isolierung als Dielektrikum fungiert.Apparatus according to claim 1, characterized in that the DBE pin electrodes are glass, ceramic or plastic insulated and this insulation acts as a dielectric. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ebene um eine Lochplatte handelt, wobei sich die Stiftelektroden in den Löchern der Lochplatte befinden.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is in the plane of a perforated plate, wherein the pin electrodes are in the holes of the perforated plate. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stiftelektroden an beiden Enden jeweils eine Verdickung aufweisen, die gewährleistet, dass sie im Falle einer axialen Bewegung in den Bohrungen der Lochplatte bleiben.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pin electrodes each have a thickening at both ends, which ensures that they remain in the case of an axial movement in the holes of the perforated plate. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die DBE-Stiftelektroden a) entweder durch ihr Eigengewicht, geführt in der Lochplatte, auf die zu behandelnde Oberfläche aufsetzt werden b) oder durch Druckfedern einzeln an diese Oberfläche gedrückt werden.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the DBE pin electrodes a) be placed on the surface to be treated either by their own weight, guided in the perforated plate b) or pressed individually by compression springs on this surface. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatte a) aus Isoliermaterial besteht oder b) aus leitendem Material besteht, dass im Bereich eines isolationsfreien Teils der DBE-Stiftelektroden verbunden ist und der gemeinsamen elektrischen Kontaktierung der einzelnen Elektroden des Arrays dient.Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the perforated plate a) consists of insulating material or b) consists of conductive material that is connected in the region of a non-insulating part of the DBE pin electrodes and the common electrical contacting of the individual electrodes of the array is used. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Array-Anordnung mit einer Gaszufuhr gekoppelt ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the array arrangement is coupled to a gas supply. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb der Vorrichtung kann ein einfaches, kostengünstiges Stromversorgungsgerät mit geringen geometrischen Abmessungen verwendet wird, das optional in gepulster Betriebsart betrieben werden kann und somit die Möglichkeit bietet, die Intensität des Plasmas in weiten Grenzen regeln zu können.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that for the operation of the device, a simple, inexpensive power supply device with small geometric dimensions is used, which can optionally be operated in pulsed mode and thus offers the possibility of the intensity of the plasma in to regulate wide limits.
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